Beatmung von Neugeborenen.
Regelung des arteriellen CO₂-Partialdrucks.
Die Steuerung des arteriellen Kohlendioxidpartialdrucks ist gerade bei der mechanischen Beatmung Früh- und Neugeborener ein wichtiger Aspekt. Schwankungen und relevante Abweichungen vom physiologischen Normbereich können das unreife Gehirn nachhaltig schädigen.
Anpassung der Beatmung in bestimmten Zeitintervallen.
Das medizinische Personal passt die Beatmung regelmäßig an die Bedürfnisse der Patientinnen und Patienten an. Weil Ärztinnen und Ärzte ebenso wie die Pflegekräfte in der Regel aber für mehrere Erkrankte gleichzeitig zuständig sind, kann dies nicht kontinuierlich erfolgen, sondern nur in bestimmten Zeitintervallen. Zudem ist diese Aufgabe anspruchsvoll und zeitintensiv. Eine Anwenderunterstützung könnte hier wertvolle Ressourcen für andere Aufgaben der Krankenversorgung freisetzen. Problematisch ist dabei, dass bisherige Methoden der kontinuierlichen Messung des Kohlendioxidpartialdrucks (paCO2), wie die transkutane Messung, nicht immer zuverlässige Werte liefern und die Messung des endtidalen CO2 (etCO2) bei den kleinsten Patientinnen und Patienten wegen des Totraums der Messküvetten oft nicht möglich ist.
Gemeinsames Projekt von Klinik und Löwenstein.
In einem gemeinsamen Projekt der Sektion Neonatologie der Klinik für Kinder- und Jugendmedizin an der Uniklinik RWTH Aachen, dem Lehrstuhl für Informatik 11 – Embedded Software der RWTH Aachen, und Löwenstein Medical sind wir angetreten, um diese Lücke in der Versorgung zu schließen und eine automatisierte Lösung – als Erweiterung der schon etablierten CLAC®-Funktion bei der Sauerstoffzufuhr – zu entwickeln.
Ziel unserer Arbeit ist es, eine Regelung zu entwerfen, die die Beatmung kontinuierlich so anpasst, dass der paCO2 in einem durch das medizinische Personal vorgegebenen Zielbereich liegt und der Patient gleichzeitig möglichst lungenschonend beatmet wird. Die paCO2-Regelung umfasst entsprechend der etablierten Praxis der mechanischen Beatmung unterschiedliche Modi, welche sowohl eine druck- als auch eine volumen-kontrollierte Beatmung abbilden.
Im Vergleich zu kommerziell verfügbaren Messsystemen für Früh- und Neugeborene streben wir an, die Qualität der Messung zu verbessern. Wir erwarten, dass dies der etCO2-Messung zu einem Durchbruch in der mechanischen Beatmung Frühgeborener verhelfen kann.
Zudem ist eine Regelung vorgesehen, welche den idealen Arbeitspunkt aus Atemfrequenz und Tidalvolumen anstrebt. Als Eingangswert für die Regelung dient die etCO2-Messung. Im Vergleich zu kommerziell verfügbaren Messsystemen für Früh- und Neugeborene streben wir an, die Qualität der Messung zu verbessern. Wir erwarten, dass dies der etCO2-Messung zu einem Durchbruch in der mechanischen Beatmung Frühgeborener verhelfen kann.
Steuerung des Minutenvolumens (MV) anhand abgeschätztem paCO₂-Wert.
Die Regelung basiert hauptsächlich auf der Messung des etCO2 nah am Konnektor des Tubus. Aus diesem Wert wird der paCO₂ abgeschätzt, was in der Praxis durch verschiedene technische und medizinische Komplikationen, z. B. einem verrutschten Tubus, erschwert wird und weiterer Erforschung bedarf. Diese Schätzung des Ist-Werts wird anschließend mit dem paCO2-Zielwert verglichen, um nachfolgend ein Minutenvolumen (MV) für die Beatmung festzulegen. In einem weiteren algorithmischen Schritt wird dieses MV in die konkreten Beatmungsparameter Spitzendruck bei der Inspiration (Peak Inspiratory Pressure, PIP) und die Atemfrequenz (Respiratory Rate, RR) umgesetzt.
Abbildung 1- Geschätzter paCO2-Verlauf und BGA Referenzmessungen bei der Beatmung von frühgeborenen Lämmern1. ©IEEE 2022
Erprobung im Tiermodell.
Für die Erprobung der Regelung im Tiermodell wurden Leoni plus-Beatmungsgeräte erweitert, um Steuerbefehle für PIP und RR über eine serielle Schnittstelle vorgeben zu können und eine Kapnometrie im Atemgas zu ermöglichen. Mit diesem Aufbau wurden frühgeborene Lämmer ab der Geburt im Beatmungsmodus SIMV und mit CLAC®-Unterstützung beatmet.
Die ersten Tierversuche zeigen die Wirksamkeit der Regelung. Dazu wurden unter anderem zwei Beatmungssituationen untersucht, deren Verlauf in Abbildung 1 dargestellt ist. Im ersten Szenario wurde eine Hyperkapnie durch Unterbeatmung erzeugt und der Regler anschließend auf einen paCO2-Zielwert von 45 mmHg und einen Zielbereich von ± 3 mmHg eingestellt. Durch eine Blutgasanalyse (BGA) wurde ein Referenzwert zu Beginn der Regelung von 59 mmHg gemessen. Nach 2,5 Minuten war der Zielwert erreicht und wurde anschließend durch automatische Anpassungen des MV im Zielbereich gehalten. Eine BGA 15 Minuten nach Versuchsbeginn bestätigte einen paCO2-Wert von 43,2 mmHg, was eine geringe Abweichung zum geschätzten Wert von 44,5 mmHg darstellt. Im zweiten Teil wurde über eine Dauer von 3 Stunden der aus dem etCO2 geschätzte paCO2 konstant im Zielbereich gehalten. Referenzmessungen mittels BGA zeigten nur geringe Abweichungen des tatsächlichen paCO2 von 0,2 mmHg bis 3,73 mmHg.
Wir konnten somit zeigen, dass eine Regelung des paCO2 anhand der gemessenen etCO2-Konzentra-tion möglich ist und akute hypokapnische und hyperkapnische Zustände in weniger als 15 Minuten ausgeregelt werden können.
Automatische Regelung für mehr Sicherheit.
Die automatische Regelung des paCO2 bei der Beatmung Neugeborener hat somit das Potenzial, die Sicherheit der Patientinnen und Patienten zu erhöhen und den Arbeitsaufwand für das Personal zu senken. Bis zum Einsatz in der Praxis muss aber vor allem die Abschätzung des paCO2 noch robuster werden, damit keine Fehlbeatmung durch die Regelung verursacht werden kann. Ebenfalls im Fokus der weiteren Entwicklung steht die Integration der Regelung mit der Spontanatmung des Neugeborenen.